Pokud byste přinesli kapalnou vodu do vesmíru, zmrzla by, nebo by se uvařila? Vakuum ve vesmíru je strašně odlišné od toho, na které jsme zvyklí tady na Zemi. Tam, kde stojíte nyní, obklopeni naší atmosférou a relativně blízko Slunce, jsou právě vhodné podmínky pro stabilní existenci kapalné vody téměř všude na povrchu naší planety, ať už je den nebo noc.

Vesmír je však jiný ve dvou nesmírně důležitých ohledech: je tam chladno (zejména pokud nejste na přímém slunečním světle nebo dále od naší hvězdy) a je to nejlepší beztlakové vakuum, jaké známe. Zatímco standardní atmosférický tlak na Zemi představuje asi 6 × 10^22 atomů vodíku, které tlačí na každý metr čtvereční na zemském povrchu, a zatímco v nejlepších pozemských vakuových komorách se lze dostat asi na jednu biliontinu této hodnoty, v mezihvězdném prostoru je tlak milionkrát nebo dokonce miliardkrát menší!“

Jinými slovy, pokud jde o hlubiny vesmíru, je zde neuvěřitelný pokles teploty i tlaku ve srovnání s tím, co máme zde na Zemi. A přesto je tato otázka o to nepříjemnější. Víte, pokud vezmete kapalnou vodu a umístíte ji do prostředí, kde se teplota ochladí pod bod mrazu, vytvoří se ve velmi, velmi krátké době ledové krystalky.

No, vesmír je opravdu, ale opravdu studený. Pokud se bavíme o cestě do mezihvězdného prostoru, daleko (nebo ve stínu) od jakýchkoli hvězd, jediná teplota pochází ze zbytků záře po velkém třesku: kosmického mikrovlnného pozadí. Teplota tohoto moře záření je pouhých 2,7 Kelvina, což je dost chladno na to, aby zmrzl pevný vodík, natož voda. Pokud tedy vezmete vodu do vesmíru, měla by zmrznout, ne?“

Ne tak rychle! Pokud totiž vezmete kapalnou vodu a snížíte tlak v jejím okolí, začne se vařit. Možná znáte fakt, že ve velkých výškách voda vře při nižší teplotě; je to proto, že je nad vámi méně atmosféry, a tudíž je nižší tlak. Ještě závažnější příklad tohoto jevu však najdeme, když kapalnou vodu umístíme do vakuové komory a pak z ní rychle vypustíme vzduch. Co se stane s vodou?

Vaří se, a to docela prudce! Důvodem je to, že voda ve své kapalné fázi vyžaduje jak určitý rozsah tlaku, tak určitý rozsah teplot. Pokud začnete s kapalnou vodou při dané pevné teplotě, dostatečně nízký tlak způsobí, že se voda okamžitě začne vařit.

Ale na té první straně, opět, pokud začnete s kapalnou vodou při daném, pevném tlaku a snížíte teplotu, způsobí to, že voda okamžitě zmrzne! Když mluvíme o uvedení kapalné vody do vesmírného vakua, mluvíme o tom, že děláme obě věci současně: bereme vodu z kombinace teploty a tlaku, kde je stabilně kapalná, a přesouváme ji na nižší tlak, tedy na něco, co způsobí, že se bude chtít vařit, a přesouváme ji na nižší teplotu, tedy na něco, co způsobí, že bude chtít zmrznout.

Kapalnou vodu můžete přenést do vesmíru (například na palubu mezinárodní vesmírné stanice), kde ji můžete udržovat v podmínkách podobných pozemským: při stabilní teplotě a tlaku.

Ale když kapalnou vodu umístíte do vesmíru – kde už nemůže zůstat v kapalném stavu – která z těchto dvou věcí se stane? Zmrzne, nebo se začne vařit? Překvapivá odpověď zní, že dělá obojí: nejprve se vaří a pak zmrzne! Víme to, protože právě to se stávalo, když astronauti ve vesmíru pocítili volání přírody. Podle astronautů, kteří se o tom přesvědčili na vlastní kůži:

Když astronautům při misi unikne voda a výsledek vypustí do vesmíru, prudce to vře. Pára pak okamžitě přechází do pevného skupenství (proces známý jako desublimace) a nakonec vznikne oblak velmi jemných krystalků zmrzlé moči.

Má to pádný fyzikální důvod: vysoké měrné teplo vody.

Je neuvěřitelně obtížné rychle změnit teplotu vody, protože i když je teplotní gradient mezi vodou a mezihvězdným prostorem obrovský, voda neuvěřitelně dobře zadržuje teplo. Kromě toho má voda kvůli povrchovému napětí tendenci zůstávat ve vesmíru kulovitého tvaru (jak jste viděli výše), což vlastně minimalizuje plochu jejího povrchu, na které si může vyměňovat teplo s okolím pod bodem mrazu. Takže proces mrznutí by byl neuvěřitelně pomalý, pokud by neexistoval nějaký způsob, jak vystavit každou molekulu vody jednotlivě vakuu samotného vesmíru. Takové omezení však neexistuje; tlak je vně vody fakticky nulový, a tak může dojít k varu okamžitě, čímž se voda ponoří do plynné fáze (vodní páry)!“

Ale když se tato voda vaří, uvědomte si, o kolik více objemu zabírá plyn než kapalina a o kolik jsou molekuly od sebe vzdálenější. To znamená, že bezprostředně po varu vody se tato vodní pára – nyní při fakticky nulovém tlaku – může velmi rychle ochladit! Vidíme to na fázovém diagramu pro vodu.

Jakmile se dostanete pod teplotu přibližně 210 K, vstoupíte u vody do pevné fáze – ledu – bez ohledu na tlak. To se tedy stane: voda se nejprve vaří a pak velmi jemná mlha, na kterou se vyvaří, zmrzne a vznikne tenká, jemná síť ledových krystalků. Věřte tomu nebo ne, ale máme pro to analogii i tady na Zemi! Za velmi, velmi chladného dne (musí být kolem -30° nebo méně, aby to fungovalo) vezměte hrnec s právě vroucí vodou a vyhoďte ho nahoru (směrem od obličeje) do vzduchu.

Rychlé snížení tlaku (přechod z vody na vzduch) způsobí rychlý var a pak rychlé působení extrémně chladného vzduchu na vodní páru způsobí vznik zmrzlých krystalků: sněhu!

Vaří se tedy voda, nebo zmrzne, když ji dopravíte do vesmíru? Ano. Ano, zmrzne.